Wayne Keith Hocking, Shingo Watanabe, Gary P. Klaassen · Atmosphere · 2026

Incorporation of Small- to Mid-Scale Turbulence and Diffusion into Large-Scale Atmospheric Models

Resumo em português

Devido à grande faixa dinâmica de escalas entre a turbulência 3D e a circulação global, os efeitos da turbulência em pequena escala, e de fato a turbulência em muitas escalas, frequentemente precisam ser parametrizados de alguma forma para entrada em modelos computacionais globais de grande escala. Idealmente, seria bom ter um programa de computador suficientemente grande e poderoso para resolver todos os movimentos em todas as escalas simultaneamente, mas esse objetivo ainda está longe de ser alcançado. Contudo, se implementada de forma inadequada, a parametrização pode levar a erros que se propagam através do modelo. Embora a turbulência seja frequentemente considerada um “depósito” para movimentos de escala maior, aqui observamos na outra direção e examinamos como esses movimentos em escala menor atuam para afetar os fluxos em escala maior. A natureza do arrasto de fundo e das forças difusivas é revisada no contexto de seu impacto sobre os movimentos de escala maior, e as formas como essas forças são implementadas em modelos são discutidas. Observa-se a falta de uso de dados medidos (em oposição a hipotéticos) de turbulência em pequena escala. Também se destaca que a difusão vertical é conceitualmente mais importante para o acoplamento atmosférico do que a difusão horizontal, e a chamada turbulência bidimensional (2D), às vezes discutida em relação à mistura atmosférica, é menos capaz de promover a mistura vertical porque os movimentos verticais organizados associados são geralmente fracos. São apresentadas evidências muito robustas do Programa Global de Amostragem Atmosférica (GASP) para uma região espectral dominante de ondas gravitacionais em escalas horizontais de 200 a 1000 km, até altitudes tão baixas quanto a tropopausa. São expostos erros na interpretação de análises anteriores amplamente citadas desses dados (frequentemente citadas incorretamente como evidência para turbulência 2D). Esses erros têm um impacto profundo nas crenças anteriores sobre os papéis relativos das ondas gravitacionais e da turbulência nominalmente 2D. São considerados processos difusivos não kolmogorovianos que contribuem para o arrasto, difusão e mistura, mas que raramente foram empregados na prática, incluindo o impacto da intermitência, saturação de ondas, “crestas brancas” e difusão de Stokes. Quando esses processos são incluídos, os coeficientes típicos de difusão realista parecem ser 2 a 3 vezes maiores do que os previstos pela Atmosfera de Referência Internacional do COSPAR. Finalmente, é realizada uma comparação entre as difusividades utilizando o Modelo Climático Comunitário da Atmosfera Inteira (WACCM6), no Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica dos EUA, e o Modelo Atmosférico Japonês para Pesquisa da Alta Atmosfera (JAGUAR), que empregam estratégias muito diferentes.

Resumo original em inglês

Because of the large dynamic range of scales between 3D turbulence and global circulation, the effects of small-scale turbulence, and indeed turbulence at many scales, often need to be parameterized in some way for input into large global-scale computer models. Ideally, it would be good to have a computer program large enough and powerful enough to solve all motions at all scales simultaneously, but this objective is still far from being possible. Yet if implemented poorly, parameterization can lead to errors that can propagate through the model. While turbulence is often considered a “wastebasket” for larger-scale motions, here we look in the other direction and examine how these smaller-scale motions work back to affect the larger-scale flows. The nature of background drag and diffusive forces is reviewed in the context of their impact on larger-scale motions, and the ways that these forces are implemented in models are discussed. The lack of use of measured (as distinct from hypothetical) small-scale turbulence data is noted. It is also noted that vertical diffusion is conceptually more important for atmospheric coupling than horizontal diffusion, and so-called two-dimensional (2D) “turbulence,” sometimes discussed in regard to atmospheric mixing, is less capable of vertical mixing because associated organized vertical motions are generally weak. Very strong evidence from the Global Atmospheric Sampling Program (GASP) for a dominant gravity-wave spectral region at horizontal scales of 200–1000 km, as low in altitude as the tropopause, is presented. Errors in the interpretation of earlier well-cited analyses of these data (often incorrectly cited as evidence for 2D turbulence) are presented. These errors have a profound impact on previous beliefs about the relative roles of gravity waves and nominally 2D turbulence. Non-Kolmogorov diffusive processes that contribute to drag, diffusion and mixing but have rarely been practically employed are considered, including the impact of intermittency, wave saturation, “whitecaps” and Stokes diffusion. When these processes are included, typical realistic diffusion coefficients seem to be 2–3 × higher than those predicted by the COSPAR International Reference Atmosphere. Finally, a comparison between diffusivities using the Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM6) at the National Center for Atmospheric Research in the USA and the Japanese Atmospheric GCM for Upper Atmosphere Research (JAGUAR), which use very different strategies, is undertaken.